第十二章羧酸衍生物课件.ppt

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1、第十二章 羧酸衍生物,第十二章 羧酸衍生物,羧基中的-OH被其它原子或基团取代后所生成的化合物，称为羧酸衍生物。,羧酸衍生物,一、结构和命名,（一）结构,酰氯、酸酐、酯和酰胺分子中都含有酰基，可用通式 表示。羰基碳为sp2杂化，未参加杂化的 p 轨道与氧原子的 p 轨道交盖形成键，与羰基碳直接相连的原子(X、O、N)上都有未用电子对，它们所占的 p 轨道能与羰基上的轨道形成 p共轭。,羧酸衍生物的结构亦可用共振式表示如下：,电荷分离共振式对共振杂化体的贡献大小与L中X、O、N 的电负性大小有关，其中氮的电负性最小，因此，在酰胺的共振极限式中，电荷分离式对共振杂化体的贡献较大，表现在 C-N 键

2、具有部分双键性质、键长较胺分子中的 C-N 键短。,由于卤原子的电负性较大，在酰卤的共振极限式中，电荷分离式对共振杂化体的贡献很小，因此，在共振杂化体中以式为主，酰卤分子C-X 键并不比卤代烷中的 C-X 键短。,腈含有氰基，氰基中的碳和氮均为 sp 杂化，腈的结构和炔烃相似。腈的结构可用共振式表示如下：,（二）命名,1. 酰卤：,命名：酰基名称卤素名称,乙酰溴,苯甲酰氯,2. 酸酐：分为单酐和混酐.,混(合)酐,(简)单酐,命名：,单酐：羧酸名称酐,混酐：简单羧酸名复杂羧酸名酐,乙酸酐,乙酸丙酸酐,酐键,邻苯二甲酸酐,2-甲基丁二酸酐,3. 酯：有机酸酯和无机酸酯。,命名,一元醇的酯：羧酸名

3、醇名酯 某酸某(醇)酯,多元醇的酯：醇名羧酸名酯 某醇某酸酯,二元羧酸可以生成酸性酯、中性酯；简单酯、混合酯。,CH3COOCH=CH2,乙酸甲酯,甲酸乙酯,异戊酸苄酯,乙酸乙烯酯,乙二酸氢乙酯酸性酯,乙二酸二乙酯中性酯,简单酯,乙二酸甲乙酯中性酯,混合酯,邻苯二甲酸甲乙酯,-丁内酯,乙二醇二乙酸酯,丙三醇三软脂酸酯,氨或胺分子中的H被酰基取代的产物。,伯酰胺,仲酰胺,叔酰胺,4. 酰胺：,命名：酰基名称胺(或某胺)“某酰(某)胺”内酰胺用希腊字母标明氨基位置。,乙酰胺,N-甲基乙酰胺,N,N-二甲基甲酰胺,乙酰苯胺,邻苯二甲酰亚胺,-己内酰胺,N-甲基-N-乙基乙酰胺,母体化合物的优先次序：

4、,羧酸衍生物的官能团作为取代基:,C6H5-CH2CO2 C6H5,问题：命名下列化合物.,环己基甲酰溴 2-甲基丁二酸酐,N-乙基-N-苯基苯甲酰胺苯乙酸苯酯,二、物理性质（P344、自学）,三、羧酸衍生物的化学性质,结构相似:酰基都连着一个能被其他基团取代的负性原子或基团，因而具有相似的化学性质。,（一）亲核取代：水解、醇解、氨解。,羧酸衍生物中的羰基碳上带部分正电荷，易受亲核试剂进攻，发生酰基上亲核取代反应，,机理：,反应速率受羧酸衍生物结构中的电子效应和空间效应的影响，因而与亲核加成和消除两步反应均有关系。,第一步亲核加成，形成四面体的氧负离子中间体，如果羰基碳上所连的基团吸电子 效应

5、越强，且体积较小，则使中间体稳定，有利于加成，反应速率就快；反之则不利于加成，反应速率就慢。,-L基团吸电子效应强弱是： -X-OCOR-ORNH2。,第二步消除反应时，其反应速率与离去基团L-的碱性强弱有关，碱性愈弱愈易离去。L离去的倾向越大，反应速率越快。,L-的碱性强弱顺序是： NH2- RO- RCOO- X-，所以，L-的离去能力是： X- RCOO- RO- NH2-,羧酸衍生物亲核取代反应的活性顺序为：,亲核取代反应总的结果是-L基团被羟基、烷氧基或氨(胺)基所取代，这称为羧酸衍生物的水解、醇解和氨解反应。,1. 水解 生成相应的羧酸,（副产物：HX）,（1）酰卤的水解,低级的酰

6、卤极易水解，如乙酰氯遇水反应很激烈；随着酰卤分子量增大，在水中的溶解度降低，水解速度逐渐减慢，必要时需加入适当溶剂(如二氧六环，四氢呋喃等，以增加其与水的接触，促使反应速率加快。,（副产物：羧酸）,(2) 酸酐的水解,酸酐可以在中性、酸性或碱性溶液中水解，反应活性比酰卤稍缓和些，但比酯易水解。由于酸酐不溶于水，室温下水解很慢，必要时需加热、酸碱催化或选择适当溶剂使之成均相可加速水解。,（副产物：醇）,(3)酯的水解,在酸性溶液中，酯水解是酯化的逆反应。,酯水解需在酸或碱催化下进行。,在碱性溶液中，酯水解生成羧酸盐和醇，两者不会发生反应，因此酯的碱性水解是不可逆的，而且反应速度快，水解完全，是常

7、采用的方法。酯的碱性水解常称为皂化反应。,（副产物：醇）,在水解反应中，酯分子可能在两处发生键的断裂：,酯的碱性水解：,在反应中，碱不只是催化剂，而且是参加反应的试剂，酯的碱性水解是双分子反应，酯和氢氧离子都参加了过渡态的形成。在反应中酯是酰氧断裂。,将18O标记的苯甲酸甲酯在普通水中碱性水解，生成含有18O的甲醇。,旋光的乙酸-1-苯乙醇酯水解后，生成具有旋光性的1-苯乙醇，其构型没有改变。,(R),(R),上述实验事实表明酯的碱水解是酰氧键断裂。,酰氧断裂依据下列途径：HO-进攻酯分子中羰基碳原子，发生亲核加成反应，生成四面体中间体，再脱去烷氧负离子：,氢氧离子与羰基加成生成四面体中间体是

8、最慢的一步，是决定水解速度的一步，反应速度与带负电荷的四面体中间体稳定性有关。,，,酯的酸性水解：,一元酸的伯、仲醇酯在酸催化下水解时，通常发生酰氧键断裂，其反应机理如下：,首先是酯分子中羰基氧原子质子化，使羰基碳原子正性增加，有利于弱亲核试剂水的进攻，生成加水产物，然后质子转移到烷氧基氧上，消除弱碱性的醇分子。,酸催化下，立体阻碍对酯水解速率的快慢影响较大。,叔醇酯在酸催化下水解时，由于立体位阻较大，反应按烷氧键断裂的方式进行，为叔醇酯化的逆反应。,机理：,问题2,完成反应式：,（4）酰胺水解,（副产物：氨或氢氧化铵）,酰胺比酯难水解，一般需在酸或碱催化、加热条件下进行。,在酸或碱催化下，酰

9、胺的水解机理和酯的水解机理相似。,（5）腈水解,腈在酸或碱催化下水解成酰胺，继续水解生成羧酸。,酸水解机理：,碱水解机理：,控制反应条件，可使腈水解停留在酰胺一步。,+ CH3CO2K,问题3：完成反应式,H2OH+,+ CH3COOH,2醇解反应（主产物：酯）,（1）酰卤与醇或酚的反应（醇解）副产物：HCl,酰卤与醇很快反应成酯，是合成酯的常用方法，通常用来制备难以直接从羧酸和醇反应得到的酯。,特点：反应快，产率高；反应与叔醇或酚得酯；缺点，价格高。,（2）酸酐的醇解（副产物：羧酸）,酸酐和醇反应较酰卤温和，加酸或碱可以使反应速度加快。此反应也是制备酯的常用方法。,特点：反应较快，（比酰氯慢

10、）；价格便宜。,二元酸的酸酐在不同条件下与醇反应，可以得到单酯或二酯。,（3）酯的醇解（副产物：醇）,在酸或碱存在下，酯与醇反应，生成新的酯和醇，所以酯的醇解又称为酯交换或酯基转移。此反应是可逆的，需加入过量的醇或将生成的醇除去，才能使反应向生成新酯的方向进行。,酯交换反应常用于难以合成的酯（如酚酯或烯醇酯）或从低沸点醇酯合成高沸点醇酯。,酯交换反应常用于难以合成的酯（如酚酯或烯醇酯）或从低沸点醇酯合成高沸点醇酯。,P354,（4）腈的醇解,腈与醇有浓硫酸或无水氯化氢作用下生成亚氨酯的盐，进一步反应可得到酯或原酸酯。,由于氨基（或胺基）不易离去，且氨（或胺）的亲核性比醇强，故酰胺不易发生醇解反

11、应。,问题4：醇解举例,3.氨解反应,酰卤、酸酐、酯和酰胺与氨(或胺)作用，均可氨解成酰胺。由于氨(胺)具有碱性，其亲核性比水强，故氨解反应比水解更易进行。,（1）酰卤的氨解（副产物：HCl）,酰卤与氨（或胺）迅速反应形成酰胺。在碱性条件下有利于反应的进行。,（2）酸酐的氨解（副产物：羧酸）,酸酐的氨解比酰卤缓和。,环酐与氨(胺)反应，则开环生成单酰胺酸的铵盐，酸化后生成单酰胺酸，或在高温下加热，则生成酰亚胺。,酰卤、酸酐的醇解和氨解反应，又称为醇的酰化反应，是制备酯和酰胺的常用方法。酰卤、酸酐称为酰化剂。 醇或胺的酰化反应在有机和药物合成中有重要意义，如：用以制备前体药物，或增加药物的脂溶性

12、，以改善体内吸收；或降低毒性，提高疗效等。在有机合成中也常用于保护羟基或胺基。,（3）酯的氨解 （副产物：醇）,酯与氨（或胺）及氨的衍生物（如肼、羟氨等）发生氨解反应生成酰胺或酰胺衍生物。,酰胺的氨解反应是一个可逆反应，为了使反应完成，反应的胺的碱性应比离去胺的碱性强，并需过量，在有机合成中应用较少。酰胺的酰化能力低，一般不用作酰化剂。,（4）酰胺的氨解,问题 5 完成下列反应式.,1.,X-O-CO-ROR,HOHHORHNH2,通式:,+ HNu,问题6,下列化合物水解反应速度最慢的是( ),B.,A.,C.,D.,E.,D,问题8,化合物A，分子式为C4H6O4，加热后得到分子式为C4H

13、4O3的B，将A与过量甲醇及少量硫酸一起加热得分子式为C6H10O4的。B与过量甲醇作用也得到C。A与LiAlH4作用后得分子式为C4H10O2的D。写出A，B，C，D的结构式。,（二）与有机金属化合物的反应,1与格氏试剂反应,羧酸衍生物均能与格氏试剂反应，首先进行加成-消除反应生成酮，酮与格氏试剂进一步反应生成叔醇。,此反应常用于酯与格氏试剂的反应，以制备羟基-碳原子上至少连有两个相同烷基的叔醇；,叔醇,仲醇,二元醇,若用酸酯与格氏试剂反应，则生成对称的仲醇；,内酯也能发生类似反应，产物为二元醇。,2与二烃基铜锂反应,酰氯能迅速和二烃基铜锂反应，生成酮。酯、酰胺和腈则不起反应。,此反应的一个

14、重要用途是用来合成酮酸酯。,酰氯也可以和有机镉化合物（R2Cd）反应制得酮。,（三）还原反应,（羧酸衍生物较羧酸易被还原。）,由于与羰基相连的基团不同，通常发生还原反应由易到难的顺序为：,酰氯酸酐酯 羧酸,1氢化锂铝还原羧酸衍生物,酰卤、酸酐、酯能被氢化锂铝还原成伯醇；酰胺、腈能被还原成胺。,例如：,2罗森孟德反应（酰卤 醛）,用降低了活性的钯催化剂(PdBaSO4)或三叔丁氧基氢化锂铝，可选择性地氢化还原成醛，称为罗森孟德反应。,3.鲍维特勃朗克还原反应,酯用金属钠和醇为试剂还原生成醇的反应，不影响分子中的不饱和键。,4.腈催化氢化可还原生成伯胺：,腈在惰性溶剂（如乙醚）中用氯化亚锡和氯化氢

15、处理，可部分还原得到醛亚胺盐与SnCl4的络合物，后经水解得到醛，此反应称为斯蒂芬反应。此反应常用于将芳香腈转化为芳醛。,腈催化氢化可还原生成伯胺：,（四）酰胺的特性,1酰胺的酸碱性,酰胺分子中氨基受酰基的影响，氮上的未共用电子对离域，电子云向羰基偏移，使得氮原子上的电子云密度降低，其氨基的碱性减弱，酰胺的水溶液不显碱性，而呈中性。,酰亚胺分子中，氮原子连接两个酰基，氮上的电子云密度大大降低而不显碱性；同时氮氢键的极性增强，而表现出明显的酸性。能与氢氧化钠(或氢氧化钾)水溶液成盐。,酰亚胺在碱性溶液中可以和溴发生反应生成N溴代产物，如在冰冷条件下，将溴加到琥珀酰亚胺的碱性溶液中可制取N-溴代琥

16、珀酰亚胺(NBS)：,2霍夫曼降解反应,氮上未取代的酰胺在碱性溶液中与卤素作用，失去羰基而生成少一个碳原子的伯胺的反应，称为霍夫曼(Hofmann)降解反应，或霍夫曼重排反应。,反应机理：,在溴的碱溶液中，酰胺氮上的氢被溴代，生成N溴代酰胺(1)， (1)中的溴和酰基增强了氮上氢原子的酸性。在碱性条件下，先生成不稳定的负离子(2)，(2)重排生成异氰酸酯(3)。根据许多实验证据可以认为：重排过程与SN2机理类似，烃基带着一对电子作为亲核试剂进攻氮，同时溴则带着一对电子离去。异氰酸酯加水，生成不稳定的取代氨基甲酸(4)，(4)脱羧生成相应的伯胺。,霍夫曼降解反应操作简单易行，常用来制备伯胺或氨基

17、酸。,在霍夫曼重排反应中，如果酰胺分子中-碳原子是手性中心，反应后手性中心的构型保持不变。,重排反应进行时，迁移基团通过过渡态，从碳原子迁移到氮原子上，CN键的生成和CC键的断裂是同时进行的，所以重排后，迁移基团的构型保持不变。,3脱水反应,酰胺失去一分子水生成腈，加一分子水生成羧酸的铵盐。它们之间存在如下的关系：,在一般情况下，酰胺不易发生脱水反应，需与强的脱水剂(如P2O5，POCl3，SOCl2)共热，则脱水成腈，这是制备腈的方法之一。,例如：,四、碳酸及原酸衍生物,碳酸不稳定，碳酸分子中只有一个羟基换成其它基团的碳酸衍生物也不稳定，例如氯甲酸、氨基甲酸、碳酸单酯等，在一般条件下不能游离

18、存在。碳酸分子中两个羟基都换成其它基团的衍生物是稳定的。,最常用的有以下几种：,（一）碳酸衍生物,1.碳酰氯 碳酸衍生物可发生水解、醇解和氨解反应。,2. 脲,结构式：,脲与酰氯、酸酐或酯作用，可生成相应的酰脲。例如在乙醇钠的作用下，脲与丙二酸酯缩合，生成丙二酰脲。,脲加热到稍高于它的熔点(133)时，则发生双分子缩合而生成缩二脲并放出氨：,缩二脲能溶于碱，在它的碱性溶液中加微量硫酸铜时即显紫红色。这个反应称为缩二脲反应。,凡分子中含有两个或两个以上 (肽键)的化合物都有这种显色反应。多肽和蛋白质分子中都含有多个肽键，所以可用缩二脲反应鉴定它们。,3. 胍,胍分子中的氨基上除去一个氢原子后剩下

19、的基团叫胍基；除去一个氨基后剩下的基团叫脒基。,胍是有机强碱，碱性(pKa=13.8)与氢氧化钾相当，在空气中能吸收水分与二氧化碳，生成稳定的碳酸盐。,胍易水解，例如在氢氧化钡水溶液中加热，即水解成脲和氨。,所以游离的胍，特别在碱性条件下，是不稳定的，通常以盐的形式保存。,原酸酯：,(二)原酸衍生物,（ 、 、 、 为烷基或芳基）,原酸是不稳定的化合物，但其衍生物原酸酯却是稳定的。原甲酸酯可由氯仿与醇钠制得：,原酸酯是一类反应活性很高的化合物，是制备缩醛或缩酮的常用试剂。如原甲酸三乙酯直接与醛、酮反应，生成相应的缩醛或缩酮。,格氏试剂和原甲酸三乙酯作用生成缩醛，缩醛在酸液中水解则生成醛。,问题

20、,下列对缩二脲反应呈阳性的化合物是( ),A.,B.,C.,D.,E.,A,问题 推断题,某化合物A分子式为C7H6O3，它能溶于NaOH和Na2CO3。A与FeCl3作用有颜色反应；与(CH3CO)2O作用后生成分子式为C9H8O4的化合物B。A与甲醇作用生成香料化合物C，C的分子式为C8H8O3，C经硝化主要得到一种一元硝基化合物，试写出化合物A、B、C的结构式。,A.,B.,C.,五、油脂、磷脂和蜡,油脂、磷脂和蜡 同属类脂化合物，类脂是指存在于生物体内不溶于水，而易溶于有机非极性溶剂（具有脂溶性），并能被机体利用的有机化合物。可以用乙醚、氯仿和苯等低极性有机溶剂把它们从细胞和组织中萃取

21、出来。,三酰甘油(油脂)即甘油的高级脂肪酸酯。习惯上把在常温下呈固态或半固态的三酰甘油称为脂肪。人体中的脂肪主要分布于皮下、内脏周围，起热垫和保护垫作用，也是人体储存能量的一种形式。人饥饿时，50%以上的能量由脂肪氧化提供，脂肪减少，人变瘦削，故称“可变脂”。,共同的物理性质：不溶于水，易溶于苯、乙醚和氯仿等低极性有机溶剂。具有脂溶性。 脂类的化学结构有时相差很大，因而化学性质也不同，但在代谢过程中相互联系密切。,复合脂和类脂包括磷脂、糖脂、甾体等，是构成细胞膜的基本成分, 在人体中约占体重的5%，组成较为恒定，称做“基本脂”。,（一） 三酰甘油(油脂）,三酰甘油是1分子甘油与3分子高级脂肪酸

22、形成的酯，医学上称甘油三酯，俗称油脂。习惯上把常温下为液体的叫做油(oil)，为固态的叫脂肪(fat)，油和脂肪统称为油脂。,1.结构,R1=R2=R3 ：单三酰甘油,天然油脂是混三酰甘油的混合物，也含有少量的游离脂肪酸、高级醇、高级烃、维生素及色素等。它没有固定的熔点。自然界存在的混三酰甘油都具有L构型。,R1、R2、R3不同：混三酰甘油,(simple triacylglycerol),(mixed triacylglycerol),三酰甘油的通式,脂类中的脂肪酸(fatty acid)是一类具有较长碳链(一般14-20C)的羧酸。自然界中的脂肪酸大多以结合成酯键或酰胺键的形式存在于脂类中

23、。（多数为直链，偶数碳）,脂肪酸的命名 俗名、系统命名(了解),系统命名:与一元羧酸的系统命名基本相同，不同点是脂肪酸的碳原子有三种编码体系，并且可用简写符号表示。,CH3(CH2)10COOH 月桂酸,CH3(CH2)16COOH 硬脂酸,俗名:, 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12,HOOC-CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH3,希腊字母 , 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1,编码体系:编号从羧基碳原子开始(系统命名法常用)。,编码体系：编号从甲基碳原子开始。,希腊字母编号：同羧酸。末端甲基碳称为碳原子。,脂肪酸碳原子的三

24、种编码体系,CH3(CH2)14COOH,俗名: 棕榈油酸,编码体系命名:,编码体系命名：,十六碳酸,十八碳酸,例： CH3(CH2)14COOH,软脂酸(棕榈酸),俗名简写符号,16:0,硬脂酸,18:0,CH3(CH2)5CH=CH(CH2)7COOH,1610 9 1,17 8 16,9十六碳烯酸 简写符号： 16:19,7十六碳烯酸简写符号： 16:17,2、化学性质,(1)皂化：油脂的碱性水解称为皂化。推而广之,羧酸酯在碱性溶液中的水解都被称做皂化反应。,具有羧酸酯的通性和不饱和烃的通性(若油脂中含不饱和脂肪酸)。,+,甘油,高级脂肪酸盐（肥皂）,1g油脂完全皂化所需氢氧化钾的mg数

25、叫皂化值(saponification number)。皂化值越大，油脂的平均分子量越小。 皂化值是衡量油脂质量的指标之一，并可反映油脂皂化时碱的用量。,油脂是一种混合物，除能皂化者外，还有约1%3%的部分不能皂化(即不与碱作用，也不溶于水)，这些物质包括维生素A、D、E、K、蜡及甾醇等。,含不饱和脂肪酸的油脂可发生加成反应,其不饱和程度通常用碘值来表示。100g油脂所能吸收碘的g数叫做碘值。碘值越大，油脂的不饱和程度也越大，利用油脂与碘的加成可检查油脂的不饱和程度。 实际测定中，由于碘遇碳碳双键加成的反应速度很慢，所以使用ICl或IBr的冰醋酸溶液做分析试剂，最后折算成碘值。,药典对药用油脂

26、的皂化值和碘值都有明确规定。例如:蓖麻油：碘值，8090； 皂化值，176186 花生油：碘值，84100；皂化值，185195,（2） 加成,3. 酸败（rancidity） 油脂久放后发生变质，产生难闻气味的现象叫酸败。,CH2-CH=CH-CH2 + O2,霉菌,CH2-CH=O + O=CH-CH2 ,(具有特殊气味的小分子醛、酮及羧酸等化合物),参与三羧酸循环,饱和脂肪酸因霉菌或酶的影响可发生b-氧化:,中和1g油脂中的游离脂肪酸所需氢氧化钾的mg数称为油脂的酸值。酸值大，说明油脂中游离脂肪酸含量较高，即油脂酸败程度较严重。通常酸值 6 的油脂不能食用。,油脂酸败的重要标志是油脂中游

27、离脂肪酸的含量增加。油脂中游离脂肪酸的含量常用酸值（acid number）表示。,皂化值、碘值及酸值是油脂分析中三个重要理化指标，我国药典对药用油脂的皂化值、碘值和酸值都有一定的严格要求。,（二）磷脂,磷脂是含有磷酸二酯键的脂类。分为甘油磷脂和鞘磷脂（又叫神经磷脂）2种。由甘油构成的磷脂称为甘油磷脂，由鞘氨醇构成的磷脂称为鞘磷脂。,HO-R,1. 甘油磷脂：可看做磷脂酸的衍生物。,R2OC,O,|,磷脂酸中的磷酸部分，再与HO-R脱水形成甘油磷脂。,（一）甘油磷脂,12 *3,R1 常为饱和脂肪酸如C16，C18,R2 常为不饱和脂肪酸如花生四烯酸,C2是手性碳原子，可形成一对对映体。自然界

28、中得到的都属于R构型（L-甘油磷脂）。,甘油磷脂(glycerophosphatide)的结构通式,甘油磷脂中R基团的不同，种类也不同。,R= CH2CH2-NH2 -脑磷脂(磷脂酰乙醇胺),HOCH2CH2-NH2 (乙醇胺),脑磷脂(磷脂酰丝氨酸),胆碱、乙醇胺、丝氨酸等分子中的醇羟基分别与磷脂酸中的磷酸基以磷酸酯键相结合构成三种最重要的甘油磷脂。,-卵磷脂(磷脂酰胆碱),CH2CH2-N(CH3)3,+,-,物理性质：不溶于水及丙酮，溶于乙醇、乙醚、氯仿中。,-脑磷脂(磷脂酰乙醇胺),CH2CH2-NH3,+,-,物理性质：不溶于丙酮，难溶于乙醇、能溶于乙醚。,2.鞘磷脂 (不要求)3.蜡 (不要求),